Bruno Kolb

Gaschromatographie in Bildern

2., iiberarbeitete und erweiterte Auflage

@?)WILEY-VCH

Weitere Titel ftir Chromatographie-Einsteiger

Konrad Grob Split and Splitless Injection for Quantitative Gas Chromatography (inkl. CD-ROM) 2001

ISBN 3-527-29879-7

Bruno Kolb, L. S. Ettre Static Headspace-Gas Chromatography 1998

ISBN: 0-471-19238-4 (John Wiley & Sons)

Michael Oehme Praktische Einfiihrung in GC/MS-Analytik mit Quadrupolen 1996

ISBN: 3-527-29718-9

Dean Rood A Practical Guide to the Care, Maintenance and Troubleshooting of Capillary Gas Chromatographic Systems 1998

ISBN: 3-527-29750-2

Journal of Separation Science

ISSN: 1615-9306 www. wiley-vch.de/home/j ss

Bruno Kolb

Gaschroinatographie in Bildern

2., iiberarbeitete und erweiterte Auflage

@WILEY-VCH

1. Auflage 19992. Auflage 2002 1. Nachdruck 2005 2. Nachdruck 2006

Vorwort zur 2. Auflage

Die vorliegende Einfiihrung in die Gaschromatographie geht zurtick auf eine Zusammen­stellung von Vorlagen fiir Dias und Folien zu zahlreichen Kursen und Seminaren des Au­tors, einschlieBlich einer Vorlesungsreihe an der Universitat Konstanz. Dieses Bildmaterial war fiir den Zweck als Kursunterlage zunachst nur mit kurzen Kommentaren versehen. Daher kommt der Titel dieses Buches: ,Gaschromatographie in Bildern". Das Konzept, jeweils eine Bildseite einer, nun aber erweiterten, Textseite gegentiberzustellen, hat eine so freundliche Aufnahme gefunden, dass eine 2. Auflage erforderlich wurde. Darin sind Anregungen berticksichtigt, die der Autor von verschiedenen Seiten erhalten hat und ftir die er dankbar ist. Eine wesentliche Erganzung ist das neu hinzugekommene Kapitel tiber die Verwendung von Massenspektromete'rn als GC-Detektoren. In der 1. Ausgabe wurde die GC/MS-Kopplung absichtlich weggelassen, weil dieses Buch in der Schriftenreihe Handbibliothek Chemie zusammen mit dem Buch von M. Oehme (,Praktische Einfiih­rung in die GC/MS-Analytik mit Quadrupolen ") erscheinen sollte. Auch schien es dem Autor nicht moglich, das Kapitel GC/MS im vorgegebenen Umfang erschopfend zu be­handeln. Diese Bedenken bestehen zwar nach wie vor und sind der Grund, warum sich der Au tor auf die heiden Typen von Massenspektrometern beschrankt hat, die am haufigsten in Routine-Labors vertreten sind, namlich den Quadrupol- und den Ion-Trap Geraten. Ebenfalls wurde darauf verzichtet, die Kopplung von Infrarotspektrometern mit der GC (GC/FTIR) hier aufzunehmen.

Auch bei dieser tiberarbeiteten Auflage ist nicht auszuschlieBen, dass sich Fehler oder missverstandliche Formulierungen eingeschlichen haben; fiir entsprechende Hinweise von aufmerksamen Lesern ist der Au tor dankbar.

Oktober 2002 Bruno Kolb

Vorwort zur 1. Auflage

Gaschromatographie (GC) kann man als Wissenschaft, aber auch als praktisches Labar­handwerk betreiben. Als Wissenschaft war sie auBerordentlich ntitzlich und erfolgreich, da es mit ihrer Hilfe erstmals gelang, eine allgemeine Theorie der Chromatographie zu konzipieren, die auf der Chemie der zwischenmolekularen Wechselwirkungen, der Physik der Transport- und der Kinetik der Austauschvorgange basiert. Andererseits ist die GC auch leicht verstandlich und der Grund daftir ist ziemlich einfach: Trennungen werden durch die Fltichtigkeit der Stoffe und durch ihre Polaritat hervorgerufen. Dampfdrticke, d. h. praktisch Siedepunkte, sowie Stoffpolaritaten sind Begriffe, die dem Chemiker ver­traut sind und an denen er sich orientieren kann. Der praktische Anwender muB sich daher nicht notwendigerweise mit der Theorie befassen, urn erfolgreich damit arbeiten zu kon­nen. Die praktischen Folgerungen aus der Theorie haben die Hersteller von Geraten, Sau­len und Zubehoren gezogen und dieses Know-how wird vom Kaufer- meist unbewuBt­erworben. Man kann daher GC auch ohne jedes Verstandnis ftir die chromatographischen Grundlagen betreiben, wenn man lediglich Standardvorschriften (z. B. SOPs: ,standard operating procedures") abarbeitet, in denen jedes Detail und jeder Hand griff penibel vor­geschrieben sind. Wozu also ein einftihrendes Lehrbuch? Die Antwort ergibt sich aus der Erfahrung des Autors a us zahlreichen Einftihrungskursen zur GC, wonach das Abarbeiten von SOPs ohne Verstandnis ftir die vorgeschriebenen MaBnahmen meist als unbefriedi­gend empfunden wird.

Diese Einftihrung richtet sich daher an alle Praktiker der verschiedensten Disziplinen, die sich nicht ausschlieBlich mit der GC beschaftigen konnen, die sich aber dennoch tiber die wesentlichen Grundlagen und Techniken informieren mochten, ohne sich in feinere Details zu verlieren. Aus diesem Grund wurde die Darstellung mit moglichst vielen Bil­dern gewahlt. Auch bei der Beschreibung von chemischen Wechselwirkungen mit statio­naren Phasen oder von Reaktionen in Detektoren konnten nur allgemein akzeptierte An­schauungen berticksichtigt werden, die ftir das Verstandnis der beschriebenen Vorgange ausreichen, ohne jedoch auf manchmal alternativ diskutierte Ansichten einzugehen.

Zum SchluB mochte ich mich herzlich bei Herrn Ui Servos (Perkin-Elmer-Btiro DUsseldorf) ftir zahlreiclie praktische Empfehlungen bedanken. Dank gebtihrt auch Herrn PD Dr. Wolfgang Dtinges fur die Anregung, dieses Buch zu schreiben.

April1999 Bruno Kolb

Inhalt

1 Grundlagen und Begriffe der Gaschromatographie 1 1.1 Der gaschromatographische ProzeB 3 1.2 Die gaschromatographische Instrumentation 5 1.3 Die gaschromatographische Retention 5 1.4 Komponentenidentifizierung durch Retentionsdaten 13

2 Die gaschromatographische Trennsaule 19 2.1 Gepackte Saulen 21 2.2 Kapillarsaulen 23 2.3 Das Trennvermogen von gaschromatographischen Trennsaulen 27 2.4 Peakverbreiterung durch Diffusion 35 2.4.1 Peakverbreiterung durch axiale Diffusion in der Gas phase: B-Term 35 2.4.2 Peakverbrciterung beim Phasenwechsel: C-Term 37 2.4.3 Peakverbreiterung durch Streudiffusion bei gepackten Saulen: A-Term 41 2.4.4 EinfluB des Tragergases auf das Trennvermogen von Kapillarsaulen 41

3 Die Trennbarkeit von Stoffen durch Gas-Fiiissig-Chromatographie 43 3.1 Physikalisch-chemische Grundlagen 45 3.2 EinfluB der Polaritat auf die Trennbarkeit 51 3.2.1 Dispersionskrafte 51 3.2.2 Dipol/Dipol-Wechselwirkung 53 3.2.3 Wechselwirkung Dipol/induzierter Dipol 55 3.2.4 Wasserstoffbriickenbindungen 61 3.2.5 Gruppentrennung Polar/Unpolar 65 3.3 Charakterisierung der Polaritat von stationarcn Phasen 67

4 Trennungen durch Gas-Fest-Chromatographie 71 4.1 Allgemeines zur Adsorptions-Gaschromatographie 73 4.2 Kohlenstoff als Adsorbens 75 4.3 Anorganische Adsorbentien 77 4.4 Porose organische Polymere als Adsorbentien 81

5 Kriterien zur Auswahl von Trennsaulen 83 5.1 Filmdicke und Phasenverhaltnis 85 5.2 Probenkapazitat 87 5.3 Saulenlange 93 5.4 Zusammenfassung 93

VIII

6 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5

7 7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3

8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.5.1 8.5.2 8.6 8.6.1 8.6.2 8.6.3 8.6.4

Betriebsbedingungen der Gaschromatographie Das Tragergas Tragergasregelung Pneumatische Eigenschaften des Tragergases und der Trennsaule Hinweise zur Wahl der Tragergasstri:imung Der EinfluB der Temperatur auf die Retention Isotherme Arbeitsweise Arbeitsweise mit Temperaturprogramm Temperaturprogramm und Trennvermi:igen Instrumentation zum Temperaturprogramm Simulierte Destillation

Instrumentation und Techniken zur Probenaufgabe Dosierung von Gasen und Dampfen Dosierung von Gasen Dosierung von Dampfen fiir die Headspace-Analyse Dosierung von fliissigen Proben Dosierung von t1iissigen Proben bei gepackten Saulen Dosierung von fliissigen Proben bei Kapillarsaulen mit Split Splitlose Dosierung von fliissigen Proben bei Kapillarsaulen Probenaufgabe in einen temperaturprogrammierbaren Injektor Die kalte On-Column-Injektion Probenaufgabe von Feststoffen mittels der Pyrolyse-Gaschromatographie Instrumentation zur Pyrolyse- Gaschromatographie Abbaumechanismen bei der Pyrolyse-Gaschromatographie Praktische Hinweise zur Pyrolyse- Gaschromatographie Probenaufgabe mit Zwischenspeicherung Verdiinnte Stoffe in Gasen durch Adsorption/Thermodesorption Verfahren zur dynamischen Headspace-Analyse Festphasenmikroextraktion- ,Solid Phase Microextraction" (SPME)

Detektoren der Gaschromatographie Allgemeine Eigenschaften von Detektoren Der Warmeleitfahigkeitsdetektor (WLD) Der Flammenionisationsdetektor (FID) Der Stickstoff-Phosphor-Detektor (NPD) Der Elektroneneinfang-Detektor- ,Electron Capture Detector" (ECD) Grundreaktionen im ECD Molekiilstruktur und Empfindlichkeit im ECD Massenspektrometer als GC-Detektor Autbau einer GC/MS Apparatur und Begriffe der Massenspektrometrie Ionisierungsmethoden Quadrupol Massenspektrometer Ion-Trap Massenspektrometer

lnhalt

99 101 101 107 111 113 115 115 117 117 119

121 123 123 125 129 129 133 143 155 159 163 163 165 167 169 169 171 173

175 177 183 185 189 195 195 199 205 207 209 213 215

In halt IX

9 Quantitative Analyse 219 9.1 Grund1agen der quantitativen Analyse 221 9.2 Die Hundert-%-Methode 223 9.3 Externer Standard 227 9.4 Interner Standard 229 9.5 Der Normierungsstandard 231 9.6 Die Additionsmethode 233 9.7 Mehrpunkt-Kalibration 237

10 Ausgewahltes Schrifttum zur Gaschromatographie 239 10.1 Allgemeines Schrifttum zur Gaschromatographie 239 10.2 Trennsiiulen und stationiire Phasen 240 10.3 Injektionstechniken 241 10.4 Detektoren 241 10.5 Verschiedenes 242

11 Sachregister 244

1 Grundlagen und Begriffe der Gaschromatographie

Die Nomenklatur der Gaschromatographie (GC) ist besonders in der deutschsprachigen Literatur- historisch bedingt- nicht einheitlich. Vom Arbeitskreis Chromatographie der Fachgruppe Analytische Chemie in der Gesellschaft Deutscher Chemiker (bearbeitet von H. Engelhardt und L. Rohrschneider) wurden entsprechend der IUPAC-Empfehlung ,,Nomenclature for Chromatography" (Pure & Appl. Chem. Vol. 65, 819-872 (1993)) Vorschlage fiir eine analoge deutschsprachige Nomenklatur herausgegeben. Die in der vorliegenden Schrift verwendeten Begriffe und Symbole folgen mit wenigen geringfligi­gen Ausnahmen diesen Empfehlungen.

Schwierigkeiten hat es immer mit einer zutreffenden Ubersetzung der Bezeichnung , open tubular columns" gegeben. Zeitweilig wurde dafi.ir die wi:irtliche lTbersetzung offe­ne Rohren verwendet, dann offene Kapillarsiiulen. Auch die Bezeichnung Kapillar-Trenn­siiule findet sich. Vom Autor dieser Schrift wird an sich die von R. Kaiser empfohlene pragnante Bezeichnung Trennkapillare sehr geschatzt, aber zugunsten der in den o. g. Empfehlungen benutzten Bezeichnung Kapillarsiiule aufgegeben. Fiir die weitere Unter­teilung in Film- bzw. Schichtkapillarsiiulen wird in dieser Schrift aber meist die kiirzere Form Film- bzw. Schichtkapillare verwendet, da aus diesen Bezeichnungen eindeutig her­vorgeht, da/3 sie eine stationare Phase enthalten, da sie andemfalls nicht trennen ki:innten.

In den Anfangen der GC wurde versucht, tabellierbare und normierte Retentionsdaten zu bestimmen, wozu aile apparativen und experimentellen Einflu/3gro/3en auf die Retenti­on eines Peaks herausgerechnet wurden. Durch Multiplikation der Retentionszeit mit der Flu/3geschwindigkeit des Tragergases wurden zunachst entsprechende Retentionsvolumina bestimmt, auf die Menge stationarer Phase normiert und auf die Standardtemperatur 0 oc bezogen (spezifisches Retentionsvolumen Vg). Die Erwartungen, damit eine Identifizie­rung aufgrund tabellierter Datensammlungen zu ermoglichen, haben sich allerdings nicht erfiillt. Infolgedessen wird hier der Begriff des Retentionsvolumens nicht weiter verwen­det. Er spielt auch bei der praktischen Anwendung der Gaschromatographie keine Rolle. Durchgesetzt haben sich dagegen relative Retentionsangaben (relative Retention, Retentions­index); dafiir geniigen aber allein die Retentionszeiten, wie sie vom Integrator bzw. dem Datensystem gemessen werden.

2 Grundlagen und Begriffe der Gaschromatographie

Das Prinzip der Chromatographie

.. ·······-+ mobile Phase ··············· .... ······--+

J.--- Trennstrecke

chromatographische Systeme

Flussigchromatographie:

Gaschromatographie:

Verfahren der Gaschromatographie (GC)

Bezeichnung

Gas-Fliissig-Chromatographie \If erteilungs-GC):

Gas-Fest-Chromatographie (Adsorptions-GC):

mobile Phase

Flussigkeit

Gas (Tragergas)

stationare Phase

Fliissigkeit

Feststoff

1.1 Der chromatographische Proze!3 3

1.1 Der chromatographische Proze6

Chromatographie ist ein physikalisch-chemisches Trennverfahren, bei dem sich die zu trennenden Substanzen (Analyten) zwischen zwei nicht mischbaren Phasen verteilen. Der Begriff Phase bezeichnet einen stofflichen Aggregatzustand und eine chromatographi­sche Phase kann daher ein Feststoff, eine Fliissigkeit oder ein Gas sein. Eine der heiden Phasen ist stationar, wahrend die andere die chromatographische Trennstrecke in einer Richtung durchstromt und als mobile Phase den Stofftransport bewirkt. Als mobile Pha­sen konnen nur fluide Stoffe eingesetzt werden, und durch sinnvolle Kombinationen ergibt sich daraus eine formale Einteilung in die Verfahren der Fliissigchromatographie und der Gaschromatographie.

Trennstrecke in der Gaschromatographie ist immer ein Rohr, das aus historischen Griinden als Saute bezeichnet wird. Bei einer gepackten Saule ist dieses Rohr mit einem feinkomigen Fiillmaterial dicht gestopft. Bei Kapillarsaulen ist dieses Rohr wesentlich Ianger und diinner und die stationare Phase haftet als diinner Film oder als Schicht an der Wand der Kapillare selbst. Kapillarsaulen weisen daher einen offenen Langskanal auf (,open-tubular columns"). Fiir die mobile Phase, das so g. Tragergas, werden lnertgase, wie z. B. Stickstoff, Helium, Argon oder Wasserstoffverwendet.

Bei der Gaschromatographie ergibt sich eine formale Klassifizierung nach den staff­lichen Eigenschaften der stationaren Phase. Diese kann ein festes Adsorbens sein (Adsorptions-Gaschromatographie), an dessen aktiver Oberflache die fliichtigen Analy­ten durch reversible Adsorption festgehalten werden, oder sie besteht aus einer nicht­fliichtigen Fliissigkeit, die als diinner Film auf der Oberflache eines Tragers haftet oder an ihr chemisch gebunden ist. Die fliissige stationiire Phase wirkt als Losemittel, in dem sich die fliichtigen Analyten teilweise losen (Verteilungs-Gaschromatographie). Der Trager ist bei gepackten Saulen ein komiges und poroses Material (z. B. Kieselgur), im Fall von Kapillarsaulen die Wand der Kapillare selbst.